4 объяснения эффективных схем усилителя ШИМ

Звуковые усилители, которые предназначены для усиления аналогового аудиосигнала с помощью широтно-импульсной модуляции или обработки ШИМ и с регулируемым рабочим циклом, известны под многими названиями, включая цифровой усилитель, усилитель класса D, переключаемый усилитель и усилитель ШИМ.

Поскольку он может работать с высокой эффективностью, Усилитель класса D стала излюбленной концепцией для мобильных приложений и приложений громкой связи, где искажения незначительны.

Почему усилители ШИМ настолько эффективны

Это потому, что они преобразуют аналоговый аудиосигнал в эквивалентное содержимое с ШИМ-модуляцией. Этот модулированный звуковой сигнал ШИМ эффективно усиливается выходными устройствами, такими как MOSFET или BJT, а затем преобразуется обратно в аналоговую версию высокой мощности с использованием специальных индукторов на подключенных громкоговорителях.

Мы знаем это полупроводник такие устройства, как МОП-транзисторы и БЮТ «не люблю» работать в неопределенных областях входного сигнала и иметь тенденцию к нагреванию. Например, МОП-транзистор не будут должным образом включаться, когда сигнал затвора ниже 8 В, а BJT не будут правильно реагировать при напряжении ниже 0,5 В базового напряжения, что приведет к значительному рассеиванию тепла через радиатор корпуса.

Аналоговые сигналы, являющиеся экспоненциальными по своей природе, вынуждают вышеуказанные устройства работать с неудобными и неблагоприятными потенциалами медленного нарастания и медленного спада, вызывая высокое рассеивание тепла и большую неэффективность.

ШИМ Концепция усиления, напротив, позволяет этим устройствам работать, либо полностью включив их, либо полностью выключив, без промежуточных неопределенных потенциалов. Благодаря этому устройства не излучают тепла, а усиление звука происходит с высокой эффективностью и минимальными потерями.

Преимущества цифрового усилителя перед линейным усилителем

• Цифровые усилители или усилители с ШИМ используют обработку ШИМ, поэтому выходные устройства усиливают сигналы с минимальным тепловыделением. В линейных усилителях используется конструкция эмиттерного повторителя, и они рассеивают большое количество тепла во время усиления звука.
• Цифровые усилители могут работать с меньшим количеством устройств выходной мощности по сравнению с линейными усилителями.
• Из-за минимального тепловыделения не требуется радиатор или радиаторы меньшего размера, по сравнению с линейными усилителями, которые зависят от больших радиаторов.
• Цифровые усилители с ШИМ дешевле, легче и высокоэффективны по сравнению с линейными усилителями.
• Цифровые усилители могут работать с меньшими входами источника питания, чем линейные усилители.

В этом посте первый ШИМ-усилитель мощности, представленный ниже, работает от батареи 6 В и генерирует выходную мощность до 5 Вт. Учитывая его вопиющую выходную мощность, ШИМ-усилитель часто встречается в мегафонах.

Общей проблемой мобильных усилителей AF является то, что из-за их низкой эффективности трудно получить высокую мощность из низкого напряжения питания.

Однако усилитель ШИМ в нашем обсуждении имеет почти 100% КПД при уровне искажений, приемлемом для мегафонов и связанных с ними P.A. устройств. Ниже объясняется несколько факторов, влияющих на дизайн:

Широтно-импульсная модуляция

Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) представлен на рисунке 1 ниже.

Концепция проста: рабочий цикл прямоугольного сигнала более высокой частоты управляется входным сигналом. Время включения импульса зависит от мгновенной амплитуды входного сигнала.

Количество включенного и выключенного времени в дополнение к частоте является постоянным. Следовательно, когда входной сигнал отсутствует, создается симметричный прямоугольный сигнал.

Для достижения относительно хорошего качества звука частота прямоугольного сигнала должна быть вдвое больше, чем самая высокая частота входного сигнала.

Результирующий сигнал может быть использован для питания громкоговорителя. На рис. 4 показано четкое преобразование на осциллограмме.

Верхний график показывает постфильтрацию выходного сигнала, измеренный через громкоговоритель. Амплитуда оставшихся Сигнал ШИМ то есть перекрытие синусоиды невелико.

Электронные переключатели как усилители

На рисунке 2 показана стандартная работа усилителя ШИМ с помощью блок-схемы.

Предположим, что при коротком замыкании входа переключатель S_кконденсатор питания C₇с током I_два. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто подходящее верхнее предельное напряжение переключения.

Затем он соединяет R₇К земле, приземляться. После этого C₇разряжается до нижнего предельного напряжения переключения S_к. В результате C₇и R₇производит прямоугольную волну с частотой 50 кГц.

Когда на вход усилителя подается сигнал AF, дополнительный ток I₁относительно уменьшает или увеличивает время зарядки, или увеличивает и уменьшает время разряда.

Таким образом, входной сигнал изменяет коэффициент заполнения прямоугольного сигнала, который виден на выходе громкоговорителя.

Есть два закона, которые необходимы для основной работы усилителя ШИМ.

1. Первый - переключатель S_буправляется в противофазе с S_кудерживая другой вывод громкоговорителя в качестве напряжения, альтернативного напряжению сигнала ШИМ.

Эта установка является результатом силового выходного каскада переключающего мостового типа. После этого при каждой полярности на громкоговоритель подается полное напряжение питания, так что достигается максимальное потребление тока.

2. Во-вторых, смотрим на индукторы L₁и я_два. Назначение катушек индуктивности - интегрировать прямоугольный сигнал и преобразовывать его в синусоидальный, как показано на графике осциллографа ранее. Кроме того, они также функционируют и подавляют гармоники прямоугольного сигнала 50 кГц.

Высокий звук при скромном дизайне

По схеме на приведенном выше рисунке вы можете легко определить электронные компоненты, используемые на блок-схеме.

Несколько деталей, таких как резистор R1, конденсаторы связи C₁и C₄, регулятор громкости P₁и усилитель на базе операционного усилителя A₁выполняет смещение для конденсаторного (или электростатического) микрофона.

Вся эта операция создает входной сегмент усилителя ШИМ. Как обсуждалось ранее, переключатели S_ки S_бпостроены электронными выключателями ES₁пальцы ног₄и пары транзисторов T₁-T₃и т_два-T₄.

Обозначения частей для электронных компонентов, которые составляют генератор ШИМ, относятся к тем, которые описаны на блок-схеме.

Вероятно, ШИМ-усилитель необычайно эффективен, потому что выходные транзисторы не нагреваются даже при принудительном включении полного привода. Короче говоря, в выходном силовом каскаде практически отсутствует рассеяние.

Самый важный фактор, который необходимо учитывать перед выбором индукторов L₁и я_двазаключается в том, что они должны иметь возможность пропускать 3 А без насыщения.

Фактическое рассмотрение индуктивности занимает лишь второе место. Например, индукторы, использованные в этом проекте, были получены от диммера.

Назначение диодов D₃к D₆должно сдерживать обратную ЭДС, создаваемую индукторами, до разумно безопасного значения.

Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя A₁образуется D₁, С₃, D_дваи R₃. Это входное напряжение, эффективно отфильтрованное, равно половине напряжения питания.

При использовании традиционного усилителя на операционном усилителе коэффициент усиления по напряжению определяется контуром отрицательной обратной связи. р₄и R₅установит усиление на 83, чтобы обеспечить достаточную чувствительность микрофона.

Если вы используете источники сигнала с высоким импедансом, R₄могут быть усилены по мере необходимости.

L₁и я_двавызвать фазовый сдвиг, и поэтому возможна обратная связь с помощью прямоугольного сигнала на коллекторе T₁по сравнению с синусоидальным сигналом громкоговорителя.

В сочетании с C₅Операционный усилитель обеспечивает значительную интеграцию сигнала обратной связи ШИМ.

Система обратной связи уменьшает искажения усилителя, но не настолько сильно, чтобы вы могли использовать ее для других приложений, помимо публичного оповещения.

Обычно для усилителя класса D с низким уровнем искажений требуется значительно увеличенное напряжение питания и сложная схема.

Реализация этой настройки снизит общую эффективность схемы. Обратите внимание при выборе электронных переключателей в усилителе, так как типы HCMOS подходят.

Типичный CMOS Тип 4066 чрезвычайно медленный и не подходит для запуска «короткого замыкания» через T₁-T₃и т_два-T₄. Кроме того, существует повышенный риск перегрузки или даже необратимого повреждения усилителя.

ШИМ-усилитель для мегафонных приложений

Энтузиасты электроники предпочитают использовать усилитель класса D для питания рупорных громкоговорителей, потому что он может производить самый громкий звук при выбранном уровне мощности.

Используя аккумуляторную батарею на 6 В и громкоговоритель в барокамере, модель усилителя была легко сконструирована.

Существующие 4 Вт выходной мощности можно было измерить в мегафоне с приличным звуковым диапазоном.

Четыре сухие батареи 1,5 В или щелочные моноэлементы были подключены последовательно к питающему напряжению мегафона. Если вы хотите часто использовать эту установку, выберите перезаряжаемый никель-кадмиевый или гелевый аккумулятор (Dryfit).

Так как максимальный ток потребления мегафона составляет 0,7 А, стандартный щелочной подойдет для поддержки работы в течение 24 часов при полной выходной мощности.

Если вы планируете непостоянное использование, выбора набора сухих ячеек будет более чем достаточно.

Имейте в виду, что какой бы источник питания вы ни использовали, он не должен превышать 7 В.

Причина в переключателях HCMOS в IC.₁не будет работать должным образом при этом уровне напряжения или более.

К счастью, для усилителя максимальный порог напряжения питания больше 11 В.

Конструкция печатной платы для описанного выше усилителя ШИМ класса D приведена ниже:

Еще один хороший усилитель ШИМ

Хорошо спроектированный усилитель ШИМ будет содержать симметричный генератор прямоугольных волн.

Рабочий цикл этой прямоугольной волны модулируется звуковым сигналом.

Вместо того, чтобы работать линейно, выходные транзисторы работают как переключатели, поэтому они либо полностью включены, либо выключены. В неактивном состоянии рабочий цикл формы волны составляет 50%.

Это означает, что каждый выходной транзистор полностью насыщен или также известен как проводящий в течение того же времени. В результате среднее выходное напряжение равно нулю.

Это означает, что если один из переключателей остается замкнутым немного дольше, чем другой, среднее выходное напряжение будет либо отрицательным, либо положительным в зависимости от полярности входного сигнала.

Следовательно, мы можем наблюдать, что среднее выходное напряжение зависит от входного сигнала. Это связано с тем, что выходные транзисторы работают полностью как переключатели, поэтому потери мощности в выходном каскаде чрезвычайно малы.

Дизайн

На рисунке 1 изображена полная схема усилителя ШИМ класса D. Мы видим, что ШИМ-усилитель не должен быть слишком сложным.

Входной аудиосигнал подается на операционный усилитель IC1, который функционирует как компаратор. Эта установка приводит к нескольким триггерам Шмитта, которые подключены параллельно к схеме.

Они там по двум причинам. Во-первых, должна быть «прямоугольная» форма волны, а во-вторых, для выходного каскада необходим соответствующий базовый ток возбуждения. На этом этапе установлены два простых, но быстрых транзистора (BD137 / 138).

Весь усилитель колеблется и генерирует прямоугольную волну. Причина в том, что один вход компаратора (IC1) подключен к выходу через RC-цепь.

Кроме того, оба входа IC1 смещены к первой половине напряжения питания с помощью делителя напряжения R3 / R4.

Каждый раз, когда на выходе IC1 низкий уровень, а на эмиттерах T1 / T2 высокий уровень, происходит зарядка конденсатора C3 через резистор R7. В то же время на неинвертирующем входе будет повышение напряжения.

Как только это возрастающее напряжение пересекает уровень инвертирующего пути, выход IC1 переключается с низкого на высокий.

В результате эмиттеры T1 / T2 меняют свой уровень с высокого на низкий. Это условие позволяет C3 разряжаться через R7, и напряжение на плюсовом входе падает ниже напряжения на минусовом входе.

Выход IC1 также возвращается в низкое состояние. В конце концов, выходной сигнал прямоугольной формы создается с частотой, определяемой R7 и C3. Приведенные значения генерируют колебания на частоте 700 кГц.

Используя осциллятор , мы можем модулировать частоту. Уровень инвертирующего входа IC1, который обычно используется в качестве эталона, не остается постоянным, а определяется звуковым сигналом.

Кроме того, амплитуда определяет точную точку, в которой выходной сигнал компаратора начинает изменяться. Следовательно, «толщина» прямоугольных волн регулярно модулируется звуковым сигналом.

Чтобы усилитель не работал как передатчик 700 кГц, на его выходе должна выполняться фильтрация. Сеть LC / RC, состоящая из L1 / C6 и C7 / R6, хорошо выполняет роль фильтр .

Технические характеристики

• Усилитель с нагрузкой 8 Ом и напряжением питания 12 В выдавал 1,6 Вт.
• При использовании 4 Ом мощность увеличивалась до 3 Вт. При таком небольшом рассеиваемом тепле охлаждение выходных транзисторов не требуется.
• Доказано, что гармонические искажения необычно низки для такой простой схемы.
• Общий уровень гармонических искажений был ниже 0,32% от измеренного диапазона от 20 Гц до 20 000 Гц.

На рисунке ниже вы можете увидеть печатную плату и расположение деталей усилителя. Время и стоимость создания этой схемы очень низкие, поэтому она представляет собой отличный шанс для тех, кто хочет лучше понять ШИМ.

Список деталей

Резисторы:
R1 - 22 тыс.
R2, R7 - 1М
R3, R4 - 2,2 км
R6 - 420 тыс.
R6 - 8,2 Ом
P1 = 100k логарифмический потенциометр
Конакатор;
C1, C2 - 100 нФ
C3 - 100 пФ
C4, C5 - 100 мкФ / 16 В
C6 = 68 нФ
C7 - 470 нФ
C8 - 1000p / 10 В
C9 - 2n2
Полупроводники:
IC1 - CA3130
IC2- 00106
Т1 = BD137
Т2 - BD138

Разное:
L1 = Индуктор 39 мкГн

Простая схема 3-х транзисторного усилителя класса D

Выдающаяся эффективность усилителя PWM такова, что выходная мощность 3 Вт может быть получена с BC107, используемым в качестве выходного транзистора. Более того, он не требует радиатора.

Усилитель содержит управляемый напряжением генератор ширины импульса, работающий на частоте около 6 кГц и обеспечивающий выходной каскад класса D.

Есть только два сценария - полностью или полностью выключен. Благодаря этому рассеиваемая мощность невероятно мала и, как следствие, обеспечивает высокий КПД. Форма выходного сигнала не похожа на входной.

Однако интеграл выходных и входных сигналов пропорционален друг другу относительно времени.

Из представленной таблицы значений компонентов видно, что можно изготовить любой усилитель мощностью от 3 до 100 Вт. При этом могут быть достигнуты более высокие мощности до 1 кВт.

Недостаток в том, что он создает около 30% искажений. В результате усилитель можно использовать только для усиления звука. Он подходит для систем громкой связи благодаря невероятно понятной речи.

Цифровой операционный усилитель

Следующая концепция показывает, как использовать базовый набор триггеров сброса IC 4013 для преобразования аналогового аудиосигнала в соответствующий сигнал ШИМ, который затем может быть подан на полевой МОП-транзистор для желаемого усиления ШИМ.

Вы можете использовать половину корпуса 4013 в качестве усилителя с цифровым выходом с рабочим циклом, пропорциональным желаемому выходному напряжению. Когда вам понадобится аналоговый выход, подойдет простой фильтр.

Вы должны следить за тактовыми импульсами, как указано, и они должны быть значительно выше по частоте, чем желаемая полоса пропускания. Коэффициент усиления равен R1 / R2, тогда как время R1R2C / (R1 + R2) должно быть больше, чем период тактовых импульсов.

Приложения

Есть много способов использования схемы. Некоторые:

1. Получайте импульсы от точки перехода через ноль сети и подключайте симистор к выходу. В результате теперь у вас есть реляционное управление мощностью без RFI.
2. Используя быстрые часы, переключите транзисторы драйвера с выходом. В результате получился высокоэффективный звуковой усилитель с ШИМ.

Усилитель с ШИМ мощностью 30 Вт

Принципиальную схему аудиоусилителя класса D мощностью 30 Вт можно увидеть в следующем файле pdf.

Операционный усилитель IC1 усиливает входной аудиосигнал с помощью потенциометра VR1 с регулируемой громкостью. Сигнал PWM (широтно-импульсная модуляция) генерируется путем сравнения аудиосигнала с треугольной полосой 100 кГц. Это осуществляется через компаратор 1С6. Резистор RI3 используется для обеспечения положительной обратной связи, а C6 фактически вводится для увеличения времени работы компаратора.

Выход компаратора переключается между крайними значениями напряжения ± 7,5 В. Подтягивающий резистор R12 обеспечивает напряжение + 7,5 В, в то время как -7,5 В подается внутренним транзистором с открытым эмиттером IC6 операционного усилителя на выводе 1. Пока этот сигнал переходит на положительный уровень, транзистор TR1 работает как клемма стока тока. Этот приемник тока вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R16, которого становится ровно столько, чтобы включить полевой МОП-транзистор TR3.

Когда сигнал переходит в отрицательную крайность. TR2 превращается в источник тока, что приводит к падению напряжения на R17. Этого падения становится достаточно, чтобы включить TR4. Как правило, полевые МОП-транзисторы TR3 и TR4 срабатывают поочередно, генерируя сигнал ШИМ, который переключается между +/- 15 В.

На этом этапе становится важным вернуть или преобразовать этот усиленный ШИМ-сигнал в хорошее воспроизведение звука, которое может быть усиленным эквивалентом входного аудиосигнала.

Это достигается за счет создания среднего значения рабочего цикла ШИМ через фильтр нижних частот Баттервора 3-го порядка, имеющий частоту среза (25 кГц) значительно ниже базовой частоты треугольника.

Это действие приводит к огромному затуханию на частоте 100 кГц. Полученный окончательный выходной сигнал преобразуется в аудиовыход, который представляет собой усиленную репликацию входного аудиосигнала.

Генератор треугольной волны через конфигурацию схемы 1C2 и 1C5, где IC2 работает как генератор прямоугольной волны с положительной обратной связью, подаваемой через R7 и R11. Диоды от DI до D5 работают как двунаправленный зажим. Это фиксирует напряжение примерно на уровне +/- 6 В.

Идеальный интегратор создается с помощью предустановки VR2, конденсатора C5 и IC5, который преобразует прямоугольную волну в треугольную. Предустановка VR2 обеспечивает функцию регулировки частоты.

Выход 1C5 на (вывод 6) обеспечивает обратную связь на 1C2, а резистор R14 и предварительно установленный VR3 работают как гибкий аттенюатор, позволяющий регулировать уровень треугольной волны по мере необходимости.

После завершения полного цикла необходимо настроить VR2 и VR3, чтобы обеспечить высочайшее качество вывода звука. Набор обычных 741 ОУ для 1C4 и IC3 можно использовать в качестве буферов с единичным усилением для подачи питания +/- 7,5 В.

Конденсаторы C3, C4, C11 и C12 используются для фильтрации, а остальные конденсаторы используются для развязки источника питания.

Схема может питаться от двойного источника питания +/- 15 В постоянного тока, который сможет управлять громкоговорителем мощностью 30 Вт с сопротивлением 8 Ом через каскад LC, используя конденсатор C13 и катушку индуктивности L2. Обратите внимание, что для MOSFET TR3 и TR4, вероятно, могут потребоваться небольшие радиаторы.